Закон всемирного тяготения
Закон всемирного тяготения
Ни об одном законе природы не было написано так много, как о законе всемирного тяготения. Его открыл в XVII в. английский ученый Исаак Ньютон. Существует легенда, будто впервые Ньютон задумался о причинах падения тел на Землю, когда однажды в саду на него свалилось яблоко и больно ударило по голове. Ньютон, будучи ученым, мысленно разложил процесс падения яблока на три стадии. Первая стадия: яблоко неподвижно висит на ветке, скорость яблока равна нулю. Вторая стадия: яблоко падает, его скорость становится все больше и больше. Третья стадия: яблоко упало (на землю или на голову человека), скорость яблока снова равна нулю.
Причину изменения скорости яблока (и любого тела вообще) Ньютон назвал силой. Он установил, что сила имеет и величину, и направление. Он пришел к выводу, что на яблоко постоянно действует сила притяжения к Земле, а когда яблоко находится в состоянии покоя (первая и третья стадии), то эту силу уравновешивает другая сила, равная первой, но направленная в противоположную сторону. Так Ньютон сформулировал основные законы движения, а потом решил пересмотреть всю науку механику с точки зрения нового понятия о силе. Ньютон переработал всю эту науку и дал ее в том виде, в котором она почти без изменений существует до сих пор.
Потом ученый вновь вернулся к закону всемирного тяготения. Он захотел выяснить, как закон выполняется в некоторых частных случаях. Ньютон заинтересовался случаем падения тела (например, того же яблока) в горном ущелье. На яблоко во время полета действует много сил притяжения: к Земле (ко дну ущелья, т. е. вниз), к горам, образующим ущелье (т. е. вбок). Законы сложения (интеграции) множества сил тогда еще не были известны, и Ньютону пришлось самому создавать новый раздел математики — интегральное исчисление. Когда он этим занялся вплотную, то понял, что сначала надо создать дифференциальное исчисление. Так Ньютон из-за потребности четкой формулировки закона всемирного тяготения создал новую науку — высшую математику.
После этого он вновь вернулся к закону всемирного тяготения. Закон требовалось проверить в каком-либо эксперименте. К этому времени уже были известны открытые немецким ученым И. Кеплером три основных закона движения планет. Ньютон установил, что все три закона Кеплера могут быть выведены строго математически из закона всемирного тяготения. Занявшись астрономией, Ньютон дал понятие о первой и второй космических скоростях. Если тело приобретает первую космическую скорость (7,9 км/с), то сила притяжения к Земле уравновешивается и тело становится искусственным спутником Земли. Если тело приобретает вторую космическую скорость (11,2 км/с), то уравновешивается сила притяжения к Солнцу и тело становится спутником Солнца.
Только через три века человечество научилось создавать такие скорости. Зато полеты на спутниках Земли теперь уже стали обычным делом. В США даже продают билеты для всех желающих: любой человек за 100 000 долларов может совершить на искусственном спутнике один виток вокруг Земли (сюда входит и оплата за предварительные тренировки).
Ньютон считал, что мир вечен, закон всемирного тяготения существовал всегда и поэтому силы притяжения (гравитации) между Солнцем и Землей возникли сразу с того момента, когда эти два небесных тела образовались. По современным воззрениям сила передается через частицу, являющуюся передатчиком (носителем) этой силы. Сила гравитации должна передаваться посредством частиц-гравитонов (доказательства их существования еще не подтверждены бесспорными опытами). Гравитоны движутся со скоростью света, а свет проходит путь от Земли до Солнца за 8 секунд. Значит, когда возникли эти два небесных тела, в течение восьми секунд между ними не было сил притяжения. Это очень мало, но принципиально важно.
Сейчас некоторые ученые приходят к выводу, что сила взаимодействия распространяется быстрее скорости света. Если это действительно так, то наши 8 секунд следует уменьшить. Но для звезд, находящихся во Вселенной на огромных расстояниях друг от друга, соответствующий промежуток времени составляет многие годы.
Русский ученый М. В. Ломоносов, живший два с половиной века тому назад, об этом еще ничего не знал, но он интуитивно чувствовал, что закон всемирного тяготения в формулировке Ньютона что-то не предусматривает, раз предполагает неизменность сил притяжения. По предложению Ломоносова Петербургская Академия наук объявила конкурс и сулила золотую медаль тому, кто исправит или дополнит закон всемирного тяготения. Золотая медаль осталась невостребованной, а для ученых Европы имя Ломоносова стало ассоциироваться с этим конкурсом: они более не считали Ломоносова серьезным ученым.
М. В. Ломоносов
В то время не было международных научных журналов. Ученый, сделавший открытие или ценное (по его мнению) наблюдению, писал по-латыни письма своим коллегам в разных странах и с нетерпением ждал ответа. Ломоносову довелось открыть важный закон природы — закон сохранения массы. Он разослал свои письма за границу, но там их, не вскрывая конвертов, повыбрасывали в корзины. Современники считали, что человек, сомневающийся в законе Всемирного тяготения, не способен открыть что-либо значительное. Через 14 лет этот закон вторично был открыт французским ученым А. Лавуазье (разумеется, он считал себя первым, ничего не зная о работе Ломоносова). Стоит также сказать, что Ломоносов создал учение о теплоте как о движении атомов, и эти представления получили развитие только спустя сто лет — все по той же причине.
Ф. Энгельс критиковал закон всемирного тяготения с позиций диалектики. Раз есть притяжение, считал Энгельс, то где-то должно быть и отталкивание, ибо жизнь — это борьба противоположностей. Ответ на такой вопрос смог дать в нашем веке американский ученый русского происхождения Г. А. Гамов. Он показал, что закон всемирного тяготения действует лишь до тех пор, пока наша Вселенная постепенно расширяется во все стороны, как резиновый шар, который надувают воздухом. Потом начнется обратное движение всех тел, составляющих Вселенную (звезд, планет, туманностей и т. д.), расширение сменится сжатием, и станет проявляться закон всемирного отталкивания.
То, что Вселенная похожа на шар, видно из следующего. Известно, что в Северном полушарии Земли наблюдают одни звезды (например, созвездия Большой и Малой Медведицы), в Южном полушарии — другие звезды (например, созвездие Южный Крест). Свет каждой звезды ученые разлагают в спектр; установлено, что у каждой звезды свой собственный, отличный от всех других спектр. Но на самом краю видимого в современный телескоп горизонта имеются два десятка пар звезд с абсолютно одинаковыми спектрами. Такие звезды образуют пары, так как видны они как в Северном полушарии, так и в Южном (в обоих случаях — на краю горизонта, т. е. как очень слабые звезды). Следовательно, мы видим одни и те же звезды, но с разных сторон. Свет, распространяясь от этих звезд через всю Вселенную, доходит до нас в одном случае как бы с «лица», во втором случае — как бы с «тыла». Другие же звезды видны только с одной стороны, например Полярная звезда — достаточно яркая, ибо находится сравнительно близко к нам. Свет, идущий от Полярной звезды с «тыла», проходит столь большой путь, что интенсивность такого света ослабляется ниже порога чувствительности измерительного прибора.
А теперь пора вспомнить одного из героев комедии Д. И. Фонвизина «Недоросль», Кутейкина, который бросил учебу, «убояшися бездны премудрости». Нам тоже, пожалуй, не следует чрезмерно углубляться в сложные проблемы мироздания.
